环氧沥青混合料孔隙结构及渗透性能

唐建锋，杨 艺

(1.建德市交通发展投资有限公司，浙江 建德 311600；2.东南大学交通学院，南京 211100)

0 引言

沥青路面裸露于自然环境之中，经受着循环的降雨和温度变化耦合作用下的侵蚀。在行车荷载的作用下，沥青面层内部受动水冲刷作用[1]，极易产生水损害，从而引发开裂、坑槽等病害。相关的研究表明，这些病害与沥青路面材料的抗水损害能力、孔隙率均有较强的相关性。

沥青混合料的孔隙结构对其水稳定性的影响很大，当前沥青路面多采用密级配沥青混合料来减少路表水的下渗或利用多孔沥青混合料铺设排水路面，但此类沥青混合料易产生空隙堵塞的问题,高温重载条件下抗车辙能力也较差。针对沥青混合料的孔径结构与水稳定性的关系，已有研究表明，沥青混合料孔隙率在8%～12%时，抗水损害能力急剧下降[3]。使用改性沥青是提高沥青混合料水稳定性的重要方法之一，研究人员通过水煮法、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验等试验方法，证明了环氧沥青混合料具有十分优越的抗水损害能力[4-5]。然而，环氧沥青混合料的微观孔隙结构与宏观抗水损害能力之间的关系目前所知甚少，相应的试验研究通常局限于建立孔隙率与冻融劈裂强度的相关关系。

沥青混合料的渗水性能受到孔隙结构的影响，又与水损害的产生与发展密不可分。相较于水煮法和冻融劈裂试验等，渗水试验能够更好地模拟实际的路面结构，对路面材料水稳定性作出评价。考虑到行车荷载作用下的动水冲刷作用，采用压力渗水试验能够进一步贴合现场情况。本文利用工业CT扫描技术，建立三维孔隙结构模型，对冻融循环作用下的普通沥青混合料和环氧沥青混合料的孔隙结构变化进行分析，结合压力渗水试验，分析环氧沥青混合料的水稳定性改善效果。

1 试验

1.1 原材料

试验研究选用壳牌沥青及方山料场矿料集料配制SMA-13级配沥青混合料，矿料规格为0～3mm、3～5mm、5～10mm、10～15mm，设计级配曲线如图1所示。原材料各项技术指标依据《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)和《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行检测，各指标检测结果均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)。

1.2 冻融试验

根据标准击实法分别制备普通沥青混合料试件和环氧沥青混合料试件，试件尺寸为φ101.6mm×63.5mm，用马歇尔击实仪双面击实各50次。

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行冻融试验。首先对试件进行真空饱水，并在常压下置于水槽中0.5h；然后将试件放入塑料袋，袋内注入10mL水，试件在-18℃下冷冻2h；取出试件后，放入60℃的恒温水槽中融化，再将试件从塑料袋中取出，保温2h。当试件完成冻融试验后，分别进行工业CT扫描试验和压力渗水试验。

2 工业CT扫描试验及分析

2.1 工业CT扫描试验

CT扫描的空间分辨率和密度分辨率直接影响到二维灰度图的清晰度，两者制约着样品的尺寸，因此需要对冻融前后的沥青混合料试件进行钻芯取样，采用直径30mm、高60mm的圆柱体试件进行CT扫描试验。此次CT扫描试验在东南大学材料学院进行，试验仪器为X射线断层扫描仪和三维X射线显微镜。其中，普通沥青混合料试件采用X射线断层扫描仪获取CT图像，扫描间隔为0.1mm；环氧沥青混合料试件采用三维X射线显微镜获取CT图像，扫描间隔为0.01mm。工业CT扫描试验结果得到的灰度图如图2所示，本文利用灰度图重构沥青混合料的三维模型，提取其中的孔隙结构，进行分析。

图2 二维灰度图(左侧为冻融前普通沥青混合料，右侧为冻融后普通沥青混合料)

2.2 试验结果分析

对工业CT扫描图像进行三维重构，提取孔隙信息得到孔隙率(表1)。为便于观察冻融后孔隙结构的变化，将孔隙按不同孔径大小进行划分。图3与图4分别体现了冻融前后不同孔径下孔隙数量与孔隙体积的变化情况。

表1 冻融前后沥青混合料试件孔隙率

分析试验结果可知：

(1) 对比表1中的孔隙率数据，冻融前后均呈现沥青混合料试件孔隙率增大的现象，其中环氧沥青混合料的孔隙率的增长率要远小于普通沥青混合料。同为环氧沥青混合料，初始孔隙率越低，冻融后孔隙率的增长量越小。各试件中，初始孔隙率最低的环氧沥青混合料试件B孔隙率增长率最小，仅增长了4.98%；普通沥青混合料试件A的孔隙率增长率最大，增长了49.16%。说明提高混合料密实度、掺加环氧树脂均具有改善沥青混合料水稳定性的效果，掺加环氧树脂的改善效果较明显。

(2)普通沥青混合料试件A，各孔径范围内均有孔隙数量大幅下降，在孔径100～500μm内孔隙数量减少量最大；环氧沥青混合料试件B，各孔径范围内均有孔隙数量增加，以50μm孔径以下孔隙为主；环氧沥青混合试件C，各孔径范围内均有孔隙数量减少，同样以50μm孔径以下孔隙为主。由于各试件均有冻融后孔隙率的增加，说明普通沥青混合料试件A和环氧沥青混合试件C在冻融作用下，均表现为孔隙的扩大至连通发展，但受到环氧树脂三维网状结构的影响，试件C孔隙发展相对较慢；而环氧沥青混合料试件B的孔隙仍以孔隙自身孔径的扩大为主，各孔隙发展相对独立。

(3)观察图4中的孔隙体积变化情况，发现试件A与C有相同的规律，在孔径为500μm以下的孔隙体积均表现为冻融后减小，而500μm以上的孔隙体积大幅增大。而试件B表现为冻融循环后各孔径范围内的孔隙体积均提高，以孔径为500μm以上的孔隙体积增大量为主。可以认为冻融循环作用下，沥青混合料孔隙率的增加，普遍依赖于500μm孔径以上孔隙体积的增大。

3 压力渗水试验及分析

当路面存在自由水时，在行车荷载作用下，自由水会在沥青混合料内部发生渗流，在动水冲刷作用下，集料与沥青逐渐失去粘附性，部分细集料剥落，进一步引发裂缝、松散、坑槽等病害。沥青混合料水损害的发生与沥青混合料的渗流特征息息相关，同时自由水在混合料内部的移动又取决于连通孔隙，因此对冻融循环前后的各环氧沥青混合料试件进行压力渗水试验，测定水压分别为0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa和0.7MPa时单位时间内渗入试件的水量(表2)。

表2 不同压力下环氧沥青混合料的渗水量

由表2可知：

(1)试件B的渗水量始终为0，即在低孔隙率时，环氧沥青混合料渗水量为0。说明低孔隙率的环氧沥青混合料在早期冻融循环下，试件内部还未形成上下连通的孔隙，依然具有较好的水稳定性。

(2)冻融前后，沥青混合料内孔隙率增大，连通孔隙增多，渗水量也提高，水稳定性下降。随着压力的增大，渗水量增大，冻融前后试件的渗水量差值变大。

(3)观察初始孔隙率为7.74%的环氧沥青混合料试件C，呈现随着压力增加渗水量逐渐增加，但渗水量的增加量逐渐减小的关系。这是因为试件内部连通的孔隙体积一定时，渗水能力受限，一定范围内随着压力的增大，渗水量趋于稳定。

4 结论

本文通过冻融循环试验、工业CT扫描试验和压力渗水试验，分析冻融循环作用下普通沥青混合料及环氧沥青混合料孔隙结构的变化及渗透特性，得到主要结论:

(1)冻融循环作用下，沥青混合料的孔隙率增大，环氧沥青混合料的孔隙率变化量小于普通沥青混合料，其中又以较小孔隙率的环氧沥青混合料的孔隙率变化量最小。

(2)冻融前后，沥青混合料孔隙率的增加，主要来源于500μm孔径以上孔隙体积的增大。普通沥青混合料A和较大孔隙率的环氧沥青混合料C在各孔径范围的孔隙数量都有所减少，孔隙体积以500μm为界，孔径在500μm以上的孔隙体积增大，500μm以下的孔隙体积减小；而小孔隙率的环氧沥青混合料B在各孔径范围的孔隙数量和孔隙体积均增加，以孔径在500μm以上的孔隙体积增大为主。

(3)环氧沥青混合料的渗水量受到孔隙率和压力的影响。低孔隙率的试件B冻融前后均不渗水，水稳定性更好；冻融作用导致的环氧沥青混合料连通孔隙增多，渗水量相应增加；渗水量呈现随压力增加而增长的现象，但渗水量增加量逐渐减小，渗水量趋于稳定。